‫הרצאה ‪ – 7‬טרנזיסטור ביפולרי ‪BJT‬‬ ‫תוכן עניינים‪:‬‬ ‫‪ .1‬טרנזיסטור ביפולרי ‪ :BJT -‬מבנה‪ ,‬זרם‪ ,‬תחומי הפעולה‪.‬‬ ‫‪ .2‬מודל‪) EBERS- MOLL :‬אברס‪-‬מול(‪.‬‬ ‫‪ .3‬תחומי הפעולה של הטרנזיסטור‪.‬‬ ‫‪ .1‬טרנזיסטור ביפולרי ‪.BJT -‬‬ ‫• מבנה‪:‬‬ ‫‪NPN‬‬ ‫‪PNP‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪N‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪N‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪N‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪E‬‬ ‫• זרם הטרנזיסטור הביפולרי‪:‬‬ ‫‪NPN‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪PNP‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪IE‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪IE‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪IC C‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 1‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫ בדר”כ הזרם זורם בטרנזיסטור בכל ההדקים‪ ,‬שלא כמו ב – ‪.MOSFET‬‬‫ עיקר הזרם הוא בין ה‪ C -‬ל‪.E-‬‬‫ ע"י זרם הבסיס שולטים על הזרמים האחרים למשל‪:‬‬‫‪I c ≅ β ⋅ I B + ( β + 1) ⋅ I CB 0 ≈ β ⋅ I B‬‬ ‫כאשר‪. β ~ 10 2 :‬‬ ‫‪ = I CB 0‬זרם זליגה בין ‪ C‬לבין ‪ B‬כאשר ‪ E‬מנותק‪.‬‬ ‫ובהתאמה ‪ = I CE 0‬זרם זליגה בין ‪ C‬לבין ‪ E‬כאשר ‪ B‬מנותק‪.‬‬ ‫כאן מתבטא ההבדל בין טרנזיסטור ‪ MOS‬לטרנזיסטור הביפולרי‪ .‬בטרנזיסטור‬ ‫‪ MOS‬תנודות קטנות במתח ה – ‪ G‬יצרו ושינו את הזרם‪ .‬בטרנזיסטור הביפולרי יש‬ ‫צורך בזרם דרך ה‪ B -‬ע"מ ליצור זרם דרך הטרנזיסטור‪.‬‬ ‫המחשה‪:‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪IE‬‬ ‫ב‪ PNP -‬הזרימות הן הפוכות‪.‬‬ ‫מתקבל כי ב‪ NPN -‬ו‪ ,PNP -‬הזרם באמיטר הוא הגדול ביותר מבין השלושה‪,‬‬ ‫ומתקיים‪. I E = I C + I B :‬‬ ‫‪ .2‬מודל‪EBERS- MOLL :‬‬ ‫במודל זה )בלבד( נניח כי זרמים נכנסים נחשבים חיוביים‪.‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪αF IF‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪αR IR‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪IF‬‬ ‫‪IR‬‬ ‫‪B‬‬ ‫ ‪ . I F = − I E‬ע"מ לא להכניס מינוס‪ ,‬הופכים את מקור הזרם‪.‬‬‫ הטרנזיסטור הוא לא רק שתי דיודות המחוברות גב אל גב‪ ,‬אלא מקיים גם‬‫תלות בין הדיודות‪ .‬תלות זו מתבטאת ע"י המקורות התלויים‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 2‬מתוך ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫‪ -‬מתקיים‪:‬‬ ‫‪1 > α F ,α R > 0‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫) סדר גודל של ‪.( α R ~ 0.3 , α F ~ 0.99‬‬ ‫‪ .3‬תחומי הפעולה של הטרנזיסטור‪:‬‬ ‫מצב הולכה‬ ‫ממתחי הדיודות ‪NPN‬‬ ‫קטעון‬ ‫‪ BC , BE‬בממתח אחורי‪.‬‬ ‫פעיל קדמי‬ ‫‪ BE‬בממתח קדמי‪.‬‬ ‫‪ BC‬בממתח אחורי‪.‬‬ ‫רוויה‬ ‫‪ BC , BE‬בממתח קדמי‪.‬‬ ‫פעיל אחורי‬ ‫‪ BE‬בממתח אחורי‪.‬‬ ‫‪ BC‬בממתח קדמי‪.‬‬ ‫לכאורה הטרנזיסטור סימטרי וניתן להפוך תפקידים‪ ,‬אך משמעות הדבר הינה גם‬ ‫להפוך את תפקידי ‪ − α F‬ו‪ . α R‬מכיוון שראינו כי ‪ , α R < α F‬נובע מכך שההתנהגות‬ ‫שונה‪ .‬בנוסף‪ ,‬לקולקטור מבנה גדול יותר לפיזור חום בהשוואה לאמיטר‪.‬‬ ‫• פעיל קדמי‪:‬‬ ‫ ‪ BE‬בממתח קדמי ולכן‪:‬‬‫‪I‬‬ ‫‪qVBE‬‬ ‫‪KT‬‬ ‫=‪I‬‬ ‫‪I ES ⋅ e‬‬ ‫‪E‬‬ ‫•‬ ‫‪V‬‬ ‫נקרב את ההתנגדות על פי משיק לעקום )זהו ערך נמוך להתנגדות לאות קטן(‪.‬‬ ‫ ‪ BC‬בממתח אחורי ולכן‪:‬‬‫‪I‬‬ ‫•‬ ‫‪V‬‬ ‫כאן ההמשך הוא כמעט אופקי‪ ,‬ולכן הערך של ההתנגדות לאות קטן גבוה מאוד‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 3‬מתוך ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫‪U‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫מעגל תמורה ‪T‬‬ ‫ע"י שינויים במודל אברס מול נקבל‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪αF IE‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪iC‬‬ ‫‪rC‬‬ ‫‪re‬‬ ‫‪iB‬‬ ‫‪ie‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪−1‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪K ⋅T‬‬ ‫= ‪‬‬ ‫‪q ⋅ IE‬‬ ‫‪‬‬ ‫) םוחתב‬ ‫ליעפה(‬ ‫הרומת לגעמ‬ ‫גוסמ‪T‬‬ ‫‪ ∂I‬‬ ‫‪=  E‬‬ ‫‪ ∂VBE‬‬ ‫‪∂V‬‬ ‫‪re = BE‬‬ ‫‪∂I E‬‬ ‫∆‬ ‫‪VBC = const‬‬ ‫∞=‬ ‫‪VBE = const‬‬ ‫‪∂VBC‬‬ ‫‪∂I C‬‬ ‫= ‪rc‬‬ ‫הערות לגבי מעגל התמורה מסוג ‪:T‬‬ ‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬ ‫השארנו את ‪ α F ⋅ I F‬מכיוון ש ‪ I F -‬גדול )ממתח קדמי( והזנחנו את‬ ‫‪ α R ⋅ I R‬מכיוון ש ‪ I R -‬קטן מאוד )זרם זליגה(‪.‬‬ ‫נזכור כי ‪ I F = − I E‬ולכן ‪ . −α F ⋅ I E = α F ⋅ I F‬ע"מ לא להכניס מינוסים הפכנו‬ ‫את כיוון מקור הזרם‪.‬‬ ‫צומת ‪ BE‬קדימה‪ ,‬לכן ניתן להחליפו בנגד קטן ‪. re‬‬ ‫צומת ‪ BC‬אחורה‪ ,‬לכן ניתן להחליפו בנגד גדול ‪. rc‬‬ ‫• תחום פעיל קדמי‬ ‫‪U‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬ ‫זרמים )בהזנחת זליגות(‬ ‫‪VBE = VBE ,ON‬‬ ‫‪VEB = VEB ,ON‬‬ ‫‪Ic ≈ βF ⋅ I B ≈ α F ⋅ I E‬‬ ‫‪VCE > VCE , sat‬‬ ‫‪VEC > VEC , sat‬‬ ‫‪I E ≈ (1 + β ) ⋅ I B‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 4‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫• תחום הקטעון‪:‬‬ ‫במצב זה שני הצמתים בממתח אחורי‪.‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬ ‫זרמי הטרנזיסטור‬ ‫‪VBE < VBE ,ON‬‬ ‫‪VEB < VEB ,ON‬‬ ‫זרמי זליגה בלבד‬ ‫• תחום הרוויה‪:‬‬ ‫במצב זה שני הצמתים בממתח קדמי‪.‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬ ‫זרמי הטרנזיסטור‬ ‫‪VBE = VBE ,ON‬‬ ‫‪VEB = VEB ,ON‬‬ ‫‪IC < β F ⋅ I B‬‬ ‫‪VCE = VCE , sat‬‬ ‫‪VEC = VEC , sat‬‬ ‫• תחום פעיל אחורי‪:‬‬ ‫במצב זה ‪ BE‬בממתח אחורי ו‪ BC -‬בממתח קדמי‪.‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬ ‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬ ‫זרמים )בהזנחת‬ ‫זליגות(‬ ‫‪VBC = VBC ,ON‬‬ ‫‪VCB = VCB ,ON‬‬ ‫‪I E ≈ β R ⋅ I B ≈ α R ⋅ IC‬‬ ‫‪VCE < 0‬‬ ‫‪VEC < 0‬‬ ‫נזכיר‪:‬‬ ‫‪-‬‬ ‫‪β‬‬ ‫‪1+ β‬‬ ‫=‪, α‬‬ ‫‪α‬‬ ‫‪1−α‬‬ ‫= ‪.β‬‬ ‫ ‪ α‬למעשה קובע כמה מהזרם זורם מה‪ C -‬ל‪ E -‬כאשר היתרה זורמת דרך ה‪-‬‬‫‪ .B‬ככל ש‪ α -‬גדול יותר‪ ,‬עובר יותר זרם מה‪ C -‬ל‪ E-‬ומעט זרם יוצא ל‪.B -‬‬ ‫ נקודת העבודה בטרנזיסטור ביפולרי הינה‪. (VCE , I C ) :‬‬‫• נבחן את חישובי ה‪ DC-‬בתחומי העבודה השונים‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 5‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫א( פעיל‪:‬‬ ‫נזכיר כי במצב זה‪ ,‬צומת ‪ BE‬בממתח קדמי וצומת ‪ BC‬בממתח אחורי‪.‬‬ ‫במשוואות שמתקבלות‪:‬‬ ‫‪Ic ≈ α F I E‬‬ ‫כאשר כאמור ‪ α F < 1‬טיפוסי הוא ‪ ,0.99‬כך שלדוגמא‪:‬‬ ‫‪I C 0.99mA‬‬ ‫‪0.01mA‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪I E 1mA‬‬ ‫משוואות נוספות‪:‬‬ ‫‪IC ≈ β F I B‬‬ ‫‪αF‬‬ ‫‪1−αF‬‬ ‫כאשר‪:‬‬ ‫∆= ‪β F‬‬ ‫‪I C ≈ 99 ⋅ I B‬‬ ‫בד"כ משמיטים ‪ F‬בסימון ‪BF‬‬ ‫ובהזנחת זרמי זליגה‪:‬‬ ‫‪I E = ( β + 1) I B‬‬ ‫‪β IB‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪( β + 1) ⋅ I B‬‬ ‫‪IE‬‬ ‫ההזנחות תקפות אם ‪I C , I E , I B >> I CB 0‬‬ ‫בתחום‪:‬‬ ‫צומת ‪ BE‬קדימה‬ ‫‪VD ≥ VBE > 0‬‬ ‫ר ובע‬ ‫‪NPN‬‬ ‫הד ו יד‬ ‫ימ דק חתממב‬ ‫‪Si‬‬ ‫‪Ge‬‬ ‫‪0.6 − 0.8V‬‬ ‫‪VD = ‬‬ ‫‪0.1 − 0.3V‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 6‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫במצב פעיל קדמי ‪ VBE = 0.7V‬מהוה קירוב טוב‪.‬‬ ‫צומת ‪BC‬‬ ‫‪VBC < 0‬‬ ‫ומבוצע חישוב מבוסס על חוקי ‪ KVL‬ו‪ KCL -‬של שאר המעגל‪.‬‬ ‫ב‪ .‬קטעון‪:‬‬ ‫נזכיר כי במצב זה שני הצמתים בממתח הפוך‪.‬‬ ‫‪VBE , VBC < 0‬‬ ‫כל הזרמים בטרנזיסטור הם בסדר גודל של זליגה‪.‬‬ ‫יצויין שצומת ‪ BE‬אינו עמיד בד"כ לממתח הפוך רב‪.‬‬ ‫ג‪ .‬רוויה‪:‬‬ ‫נזכיר כי במצב זה שני הצמתים בממתח קדמי‪.‬‬ ‫‪VD ≥ VBE , VBC > 0‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫היוו ר‬ ‫ל יעפ‬ ‫‪IB‬‬ ‫ן ועטק‬ ‫‪VCE‬‬ ‫ההגברה בטרנזיסור ‪BJT‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 7‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫‪I C = βI B‬‬ ‫בדומה ל‪ ,FET -‬גם כאן נעזרים בקו עבודה‪ :‬המקום הגיאומטרי של ) ‪( I C , VCE‬‬ ‫האפשריים‪.‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪VCE‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪IE‬‬ ‫כאן יש ליניאריות בקשר בין הזרמים כיון ש‪ , I C = βI B -‬כפי שהצגנו קודם‪.‬‬ ‫עם זאות‪ ,‬אין ליניאריות במתחים‪:‬‬ ‫‪IB‬‬ ‫‪VBE‬‬ ‫גם בטרנזיסטור יש היפוך מופע בין ‪ B‬לבין ‪.C‬‬ ‫יצויין שבדרך כלל בטרנזיסטור משתמשים בתחום הפעיל ליישומים לינאריים ואילו‬ ‫במצבי הרוויה והקטעון מעגלי מיתוג‪.‬‬ ‫ד‪ .‬פעיל הפוך‬ ‫נזכיר כי במצב זה צומת ‪ BE‬אחורה ואילו צומת ‪ BC‬קדימה‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬נוצר היפוך תפקידים בין ‪ C‬לבין ‪.E‬‬ ‫לכן‪ ,‬במקום ‪ β F‬משתמשים ב‪: β R -‬‬ ‫‪αR‬‬ ‫‪1−αR‬‬ ‫ומאחר ו‪-‬‬ ‫‪>> β R‬‬ ‫= ‪βR‬‬ ‫‪ , β F‬אזי אין הגבר כתוצאה מ‪. β -‬‬ ‫לדוגמא‪ ,‬אם ‪ α R = 0.5‬אזי ‪. β R = 1‬‬ ‫אם ‪ , I C = βI B‬אזי הטרנזיסטור נמצא בתחום הפעיל‪.‬‬ ‫בהגדלה של ‪ I B‬מעל גבול מסוים לא יוכל ‪ I C‬לעקוב ולהמשיך להיות פי ‪ β‬גדול‬ ‫יותר והטרנזיסטור יכנס לרוויה‪:‬‬ ‫‪I C < βI B‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 8‬מתוך ‪9‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪7‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫הערה‪ :‬נקודת ההחלפה בין רוויה לבין פעיל לפי הנ"ל איננה מתלכדת בדיוק עם‬ ‫היפוך ‪. VBC‬‬ ‫בקטעון מנסים להזרים הפוך בסיס אמיטר ⇐ חסימה ל‪ ,C -E -‬פרט לזרמי זליגה‪.‬‬ ‫ניתוח ‪AC‬‬ ‫‪ ‬הערה בהעדר ‪) RC‬כמו בדוגמה( אין רוויה‪.‬‬ ‫קיים קושי לנתח באופן גרפי את פעולת הטרנזיסטור ‪BJT‬‬ ‫לצורך ניתוח השפעת רכיבי המעגל על ביצועו ניתן להיעזר בניתוח ‪ AC‬ע"י מעגלי‬ ‫תמורה לאות קטן‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 9‬מתוך ‪9‬‬